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一个近期进化出的己糖转运变体使小麦对多种病原菌具有抗性
MortenLillemo HarbansSinghBarianaPeterNDodds RiSingh
翻译(节译):肖力伟
(农民日报社 北京100029)
摘 要:一系列由病原体造成的病害限制了作物的产量,如小麦,因此能提供多病原体抗性的单基因在作物改良上是很有价值的.目前,多病原抗性的机理基础大部分仍是未知的.我们使用了比较基因组学,诱变改造、分离出了小麦Lr67基因———它可以对小麦的3种锈病病原体和病病菌产生部分抗性.Lr67抗性基因编码一个预测的己糖转运蛋白(LR67res),它和易感型内的同一蛋白(LR67sus) 的不同在于,2个氨基酸在同源己糖转运中是保守的,而在LR67res中发生了改变.糖摄取测定显示,LR67sus蛋白和其他相关的同源等位基因所编码的蛋白都表现出对葡萄糖转运的高亲和力.LR67res蛋白通过和这些功能性的转运蛋白形成异二聚体发挥出显性负效应转运功能,减少对葡萄糖的摄取.在受感染的叶片上进行己糖转运的改变或许可以解释它的对多个活体营养型病原体的生长的抑制能力.
关键词:小麦;多种病原菌;抗性
DOI:10.13856/j.cn11-1097/s.2016.01.041
小麦产量对全球粮食安全十分重要,这种作物本身提供了世界上摄入能量的20%.对小麦的需求日益增长,预计在未来50年将超过过去的总和.目前,各种各样的战略正在开展以满足需求,其中包括通过更有效的病害防治以减少产量损失.从小麦具有部分抗性的品种中得到了少部分的基因,已经确定它们可以提供对多种病原菌的抗性,它们的特征在于降低病害的发展速度.这些基因包括Lr34、Lr46和Lr67,在成株中提供对锈病所有种族,叶锈菌(Pucciniatriticina;Pt)、条锈菌(Pucciniastriiformi.sp.tritici;Pst)、秆锈病(Pucciniagramini.sp.tritici;Pgt)和病菌(Blumeriagramini.sp.tritici;Bgt)的部分抗性,其中Lr34基因已经提供了超过100年的持久抗性.具有里程碑意义的发现是,赋予了多病原抗性的Lr34起作用并不是由于多基因的聚类,而是一个单独的可编码ABC转运蛋白的基因.这个转运蛋白所提供的抗病机理目前还不明确,作为基体物质,它可能发生转位.这些基因由于其广泛有效性和潜在的耐用性,在育种策略中十分宝贵,并且对它们的分子分析也可能提供对病原菌毒性机理和寄主基础防御机制的深入了解.
为了进一步了解多病原抗性,我们分离了Lr67基因.为启动定位克隆,并确定这个单基因是否具有多病原抗性,我们分离得到了一个小麦染色体4DL的细菌人工染色体克隆.运用基因组分析、诱变突变体,抗病性己糖转运蛋白的共分离与田间试验证明了分离出的Lr67基因的多病原抗性,证实了它的存在.同时Lr67基因的4个突变体emsSu1、emsSu2、γ318和γ1239显示了其在己糖转运蛋白编码基因STP 中的核苷酸改变,对照组的马铃薯Y病毒相互作用蛋白编码基因PIP 中没有发生,这些改变是单一的、非同义核苷酸的变化.
预测的LR67抗性蛋白质由514个氨基酸组成,含有12个预测的跨膜螺旋,并且和H+/单糖协同转运子的STP13家族—促进己糖的过膜运输—最相似.对Lr67res和Lr67sus这对等位基因的单核苷酸多态性分析发现,在包含LR67sus在内的所有其他STP13蛋白家族中,甘氨酸Gly和缬氨酸Val是保守的;而Lr67res 的编码产物蛋白LR67res中,这两个位点的氨基酸突变为精氨酸Arg和亮氨酸Leu.Lr67res和Lr67sus基因含有相同的启动子区域,且在被锈菌感染后均上调表达.
为了评估其己糖运输能力,我们在酿酒酵母菌株(EBY.VW4000) 中表达了LR67 蛋白.表达了LR67sus的酵母显示出对葡萄糖的摄取,这表明这种蛋白质是具有葡萄糖转运功能的,而Lr67res蛋白却不具有此功能.用甘氨酸替换精氨酸将恢复LR67res蛋白的葡萄糖转运功能,而用缬氨酸替代亮氨酸却没有恢复,这表明前者的多态性是影响运输活动的主要因素.摄取动力学分析表明,LR67sus蛋白对葡萄糖的转运有高亲和力,对果糖相对较低.
来自小麦A、B 基因组的同源性的Lr67A 和Lr67B 基因也是能编码对葡萄糖转运具有高亲和力的蛋白.而在酵母共表达LR67res和LR67sus或LR67A 或LR67B蛋白都能显著降低对葡萄糖的摄入,在没有影响酵母本身己糖转运蛋白的活性的情况下.在本氏烟中的双分子荧光互补实验表明,LR67 蛋白将形成二聚体和异二聚体.因此,LR67res蛋白可能是通过形成非活性的异源二聚体蛋白质复合物产生显性负干扰机制来降低己糖转运.这与Lr67基因赋予的显性或半显性抗性表型,以及这个位点的缺失导致的表型上的感病结果是一致的.通过二聚体介导的对转运蛋白活性的显性负干扰,已在其他的植物糖转运家族中被发现.LR67res蛋白对小麦和大麦上不同活体营养型病原菌的部分抗性可能是由于寄主细胞对质外体己糖检测的阻挡,从而增加了己糖/蔗糖在叶质外体的比例.而这又诱导了一个糖介导的信号应答反应,产生出了对病原体生长更为恶劣的环境.LR67res对己糖检测的抑制与无处不在的植物对病原菌入侵细胞壁而引起的转化酶活性应答是相仿的,将改变细胞质外体己糖/蔗糖比值,引起己糖介导的防御反应.
由国际小麦和玉米改良中心(CIMMYT)公布的2012—2013年国际面包小麦种质数据筛选,单核苷酸多态性SNP标记表明,当时的种质资源中没有包含Lr67res 的等位基因.相比之下,抗性等位基因存在与更为古老、高大的小麦品种中.田间测验表明,也定位与染色体4DS的RhtD1b 半矮秆基因被强烈选择,这说明Lr67sus 等位基因存在于现代小麦种质资源中.当下克隆Lr67,将使得结合RhtD1b 的Lr67res 重组体为今后的种质资源的开发提供帮助.不同地区的品种筛选结果表明,不像Lr34res 等位基因是中国常见的种质材料,Lr67res基因来自盛行于印度旁遮普地区的地方品种而在其他地区少见.它仅在节节麦的易感等位基因和小麦的二倍体D 染色体组基因库中被发现,这表明Lr67res等位基因随后进化到面包小麦多倍体中.
糖有助于各种生理过程,并在植物的防御反应中作为底物和信号分子.一些细菌的毒性效应蛋白编码基因激活蔗糖转运将促进宿主的易感性,反之,消除这些基因能产生寄主抗性.对寄主的含糖水平和糖信号进行改变,如Lr67res 基因的作用,也限制了活体营养病原真菌定植的程度.其他的提供广谱抗活体营养病原菌的谷类基因,如大麦mlo,可增加死体营养型病原菌的易感性.有趣的是,缺失了STP13的拟南芥增加了对灰霉病菌的易感性,而STP13的过表达又增强了对这种死体病原菌的抗性.而Lr67基因在田间成株作物上是否也对寄主对非活体营养型病原体的抗性有所损害还有待确定.尽管如此,Lr67基因作为一个有价值的可用于作物广谱抗性开发的工具,为不同形式的广谱抗性的结合提供了一种有利的育种策略.
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